JP2007036556A - 発振器における加熱構造、発振器、及び、電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 原子発振器や恒温槽制御水晶発振器等の高精度基準発振器の消費電力量を抑える。
【解決手段】 原子発振器の発振部３１において、セル４１を、断熱性を有する上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４によってカプセル４０内に固定するとともに、光加熱部４３からセル４１に対して光を照射することにより、セル４１を加熱する。
【選択図】 図２
【解決手段】 原子発振器の発振部３１において、セル４１を、断熱性を有する上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４によってカプセル４０内に固定するとともに、光加熱部４３からセル４１に対して光を照射することにより、セル４１を加熱する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、発振器における加熱構造、この加熱構造を有する発振器、及び、この発振器を備えた電子機器に関する。
従来、電子時計においては、基準発振器から出力される基準クロック信号を分周して例えば１Ｈｚの信号を生成し、この１Ｈｚの信号に基づいて時刻を計時するものがある。基準発振器としては水晶発振器が多く用いられるが、より高精度の基準発振器として、恒温槽制御水晶発振器（OCXO：Oven Controlled Crystal Oscillator）が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、近年では、原子発振器を使った標準発振器が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
特開昭５９−１６９２０９号公報
米国特許第６８０６７８４号
米国特許第６２６５９４５号
上記の恒温槽制御水晶発振器は、恒温槽の温度を保つためのヒータを備えるため、通常の水晶発振器に比べて電力消費が大きい。また、原子発振器においては、原子を封入したセルを高温（例えば、８０℃）に保つ必要があり、セルの加熱に要する電力消費が大きい。従って、電池駆動される電子時計にこれら高精度基準発振器を用いた場合、電池の消耗が激しく、長時間の連続駆動が難しいという問題があった。
そこで、本発明の目的は、原子発振器や恒温槽制御水晶発振器等の高精度基準発振器の消費電力量を抑えることが可能な発振器における加熱構造、発振器、及び、電子機器を提供することにある。
そこで、本発明の目的は、原子発振器や恒温槽制御水晶発振器等の高精度基準発振器の消費電力量を抑えることが可能な発振器における加熱構造、発振器、及び、電子機器を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、被加熱体を加熱手段により加熱する構成を備えた発振器における加熱構造であって、前記被加熱体は断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、前記加熱手段は、前記被加熱体から離隔して配設され、前記被加熱体に対して光を照射することにより前記被加熱体を加熱する光源を備えることを特徴としている。
上記構成によれば、被加熱体が断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、さらに、被加熱体から離隔して配設された光源から光を照射することによって被加熱体を加熱するので、被加熱体からの放熱によるエネルギーのロスが極めて小さく抑えられ、発振器において被加熱体の加熱に要する電力を著しく低減させることができる。
上記構成によれば、被加熱体が断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、さらに、被加熱体から離隔して配設された光源から光を照射することによって被加熱体を加熱するので、被加熱体からの放熱によるエネルギーのロスが極めて小さく抑えられ、発振器において被加熱体の加熱に要する電力を著しく低減させることができる。
また、本発明は、被加熱体を加熱手段により加熱する構成を備えた発振器において、前記被加熱体は断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、前記加熱手段は、前記被加熱体から離隔して配設され、前記被加熱体に対して光を照射することにより前記被加熱体を加熱する光源を備えることを特徴としている。
上記構成によれば、被加熱体が断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、さらに、被加熱体から離隔して配設された光源から光を照射することによって被加熱体を加熱するので、被加熱体からの放熱によるエネルギーのロスが極めて小さく抑えられ、発振器において被加熱体の加熱に要する電力を著しく低減させ、消費電力の小さい発振器を提供できる。
上記構成によれば、被加熱体が断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、さらに、被加熱体から離隔して配設された光源から光を照射することによって被加熱体を加熱するので、被加熱体からの放熱によるエネルギーのロスが極めて小さく抑えられ、発振器において被加熱体の加熱に要する電力を著しく低減させ、消費電力の小さい発振器を提供できる。
この場合において、前記発振器は、前記被加熱体として媒体原子を封入したセルを備えた原子発振器としてもよい。また、前記加熱手段は、前記光源より照射された光を集光又は拡散するレンズを備える構成としてもよい。さらに、前記ケースの内部は真空とされた構成としてもよい。また、前記ケースの内部において、前記支持体として前記被加熱体の周囲に断熱材が配設され、この断熱材には、前記光源から前記被加熱体へ照射される光を通すための孔が設けられた構成としてもよい。
さらにまた、前記加熱手段は複数の前記光源を備えて構成され、これら複数の前記光源の一部または全部を選択し、選択した光源から光を照射させる加熱制御手段をさらに備えた構成としてもよい。
また、前記被加熱体の温度を測定する温度測定手段を備え、前記加熱制御手段は、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記光源を選択するようにしてもよい。
また、前記被加熱体の温度を測定する温度測定手段を備え、前記加熱制御手段は、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記光源を選択するようにしてもよい。
また、本発明は、被加熱体を加熱手段により加熱する構成を備えた発振器を具備する電子機器において、前記発振器は、前記被加熱体を断熱性を有する支持体によってケース内に固定した構成を有し、前記加熱手段は、前記被加熱体から離隔して配設され、前記被加熱体に対して光を照射することにより前記被加熱体を加熱する光源を備えることを特徴としている。
上記構成によれば、被加熱体が断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、さらに、被加熱体から離隔して配設された光源から光を照射することによって被加熱体を加熱するので、被加熱体からの放熱によるエネルギーのロスが極めて小さく抑えられ、発振器において被加熱体の加熱に要する電力を著しく低減させることができるため、電子機器の消費電力の低減を図ることができる。
上記構成によれば、被加熱体が断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、さらに、被加熱体から離隔して配設された光源から光を照射することによって被加熱体を加熱するので、被加熱体からの放熱によるエネルギーのロスが極めて小さく抑えられ、発振器において被加熱体の加熱に要する電力を著しく低減させることができるため、電子機器の消費電力の低減を図ることができる。
上記構成において、前記電子機器は、前記発振器により生成される発振信号に基づいて時刻を表示する時刻表示部を有する時計として構成してもよい。
なお、上記において、断熱性を有する支持体とは、被加熱体との間に所定以上の熱抵抗を有するよう構成されたものを指し、熱伝導率が低い材料により構成されたもの、及び、その形状（断面積、長さ）により熱抵抗を高めたものを含む。
本発明によれば、被加熱体の加熱に要する電力を抑えることにより、限られた容量の電池を電源とした場合であっても、長時間の連続駆動を実現できる。また、発振器を間欠的に動作させる場合に、非動作時の放熱を防ぎ、次回起動させる際の起動時間を短縮することができる。
次に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態における時計の概略構成図である。
本発明の電子機器としての時計１０は腕時計として構成され、ケース２１を備える。このケース２１は、全部あるいは一部が金属（例えば、チタン、ステンレス、アルミなど）或いは樹脂製である。特に原子発振器１３の周囲の全部または一部は断熱材（図示略）で構成され、用いる断熱材としては、例えばアクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂が挙げられる。また、ケース２１において原子発振器１３の周囲にＤＬＣ（Diamond Like Carbon：イオンを利用した気相合成法により合成されるダイヤモンドに類似した高硬度・電気絶縁性・赤外線透過性等を持つカーボン薄膜）等をコーティングし、或いはセラミックや樹脂のコーティング等を施して断熱構造としても良い。
このケース２１の中央部分には、断熱材で形成された中枠２２が収納されている。この中枠２２の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。この中枠２２内には、電源としての電池２３と、動作モジュール１２を構成する水晶発振器１１と、時計用ＩＣ２４と、モータ１７とが収納され、さらに、モータ１７の動力により駆動される５番車５１、４番車５２、３番車５３、２番車５４、日の裏車５５及び筒車からなる輪列が収納されている。また、時計１０は、後述する指針部１９（図５）を構成する秒針、分針、及び時針（いずれも図示略）を備えている。
モータ１７のロータ１７Ａは、５番車５１に噛み合っており、この５番車５１のカナ５１Ａには、４番車５２が噛み合っている。
この４番車５２の回転軸には秒針が取り付けられており、４番車５２の回転に伴って秒針が駆動されることとなる。
［第１実施形態］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態における時計の概略構成図である。
本発明の電子機器としての時計１０は腕時計として構成され、ケース２１を備える。このケース２１は、全部あるいは一部が金属（例えば、チタン、ステンレス、アルミなど）或いは樹脂製である。特に原子発振器１３の周囲の全部または一部は断熱材（図示略）で構成され、用いる断熱材としては、例えばアクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂が挙げられる。また、ケース２１において原子発振器１３の周囲にＤＬＣ（Diamond Like Carbon：イオンを利用した気相合成法により合成されるダイヤモンドに類似した高硬度・電気絶縁性・赤外線透過性等を持つカーボン薄膜）等をコーティングし、或いはセラミックや樹脂のコーティング等を施して断熱構造としても良い。
このケース２１の中央部分には、断熱材で形成された中枠２２が収納されている。この中枠２２の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。この中枠２２内には、電源としての電池２３と、動作モジュール１２を構成する水晶発振器１１と、時計用ＩＣ２４と、モータ１７とが収納され、さらに、モータ１７の動力により駆動される５番車５１、４番車５２、３番車５３、２番車５４、日の裏車５５及び筒車からなる輪列が収納されている。また、時計１０は、後述する指針部１９（図５）を構成する秒針、分針、及び時針（いずれも図示略）を備えている。
モータ１７のロータ１７Ａは、５番車５１に噛み合っており、この５番車５１のカナ５１Ａには、４番車５２が噛み合っている。
この４番車５２の回転軸には秒針が取り付けられており、４番車５２の回転に伴って秒針が駆動されることとなる。
そして、４番車５２のカナ５２Ａには、３番車５３が噛み合っており、３番車５３のカナ５３Ａには、２番車５４が噛み合っている。この２番車５４の回転軸には分針が取り付けられており、２番車５４の回転に伴って分針が駆動されることとなる。また、２番車５４のカナ５４Ａには、日の裏車５５が噛み合っている。日の裏車の回転軸には、図示しない筒車が噛み合っており、この筒車が回転することにより、筒車の回転軸に取り付けられた時針が駆動されることとなる。
さらに日の裏車５５は、日の裏中間車５６に噛み合っている。この日の裏中間車５６は、時刻修正輪列５７を介してリュウズ５８につながっている。
また、ケース２１には、水晶発振器１１よりも高精度の発振信号を生成する原子発振器１３が内蔵されている。動作モジュール１２と、原子発振器１３とは、３次元空間的に分離されて配置されており、より詳細には、動作モジュール１２および原子発振器１３の所定平面（表示面に平行な平面）に対する正射影が重ならないように配置されている。
この原子発振器１３は、大別すると、本発明の発振器としての発振部３１と、局部発振器３２と、制御回路部３３と、を備えており、制御回路部３３と、動作モジュール１２とは、フレキシブル基板３４を介して電気的に接続されている。
さらに日の裏車５５は、日の裏中間車５６に噛み合っている。この日の裏中間車５６は、時刻修正輪列５７を介してリュウズ５８につながっている。
また、ケース２１には、水晶発振器１１よりも高精度の発振信号を生成する原子発振器１３が内蔵されている。動作モジュール１２と、原子発振器１３とは、３次元空間的に分離されて配置されており、より詳細には、動作モジュール１２および原子発振器１３の所定平面（表示面に平行な平面）に対する正射影が重ならないように配置されている。
この原子発振器１３は、大別すると、本発明の発振器としての発振部３１と、局部発振器３２と、制御回路部３３と、を備えており、制御回路部３３と、動作モジュール１２とは、フレキシブル基板３４を介して電気的に接続されている。
原子発振器１３と動作モジュール１２との間で信号のやり取りを行うためにフレキシブル基板を用いた理由は、原子発振器１３と動作モジュール１２とが熱的に分離された状態とするためである。
後述するように、原子発振器１３が備える発振部３１は、その動作中に、セシウム原子を封入したセル４１（図２）を高温に保つ。このセル４１の熱が原子発振器１３から動作モジュール１２に伝わることで、動作モジュール１２を構成する構造材、歯車等の材料の変形・変質、歯車等に塗布された潤滑油の変質、電池の劣化、回路の変形・変質等の不具合を招く可能性が考えられる。
ここで、原子発振器１３と動作モジュール１２とを結ぶ素材の熱伝導率をλ、断面積をＡ、両者間の距離をｘとすると、両者間の熱抵抗Ｒは次式により表される。
Ｒ＝ｘ／（λ・Ａ）
従って、原子発振器１３と動作モジュール１２と熱的に分離するためには熱抵抗Ｒを大きくすれば良いので、両者を結ぶ場合には、距離ｘを大きくし、熱伝導率λが小さく、断面積Ａを小さくするのが好ましい。
しかしながら、原子発振器１３と動作モジュール１２との間で信号のやり取りを行うために設けられる信号線は、微小な信号伝送を行う必要上、すなわち、不要なノイズ等を拾わないように、距離ｘはあまり大きくすることはできない。
そこで、本実施形態では、熱伝導率λが小さく、断面積Ａも小さなフレキシブル基板３４を用いている。これにより、本実施形態における時計１０では、原子発振器１３と動作モジュール１２とを熱的に分離して、上記した不具合を確実に防止できるようになっている。
後述するように、原子発振器１３が備える発振部３１は、その動作中に、セシウム原子を封入したセル４１（図２）を高温に保つ。このセル４１の熱が原子発振器１３から動作モジュール１２に伝わることで、動作モジュール１２を構成する構造材、歯車等の材料の変形・変質、歯車等に塗布された潤滑油の変質、電池の劣化、回路の変形・変質等の不具合を招く可能性が考えられる。
ここで、原子発振器１３と動作モジュール１２とを結ぶ素材の熱伝導率をλ、断面積をＡ、両者間の距離をｘとすると、両者間の熱抵抗Ｒは次式により表される。
Ｒ＝ｘ／（λ・Ａ）
従って、原子発振器１３と動作モジュール１２と熱的に分離するためには熱抵抗Ｒを大きくすれば良いので、両者を結ぶ場合には、距離ｘを大きくし、熱伝導率λが小さく、断面積Ａを小さくするのが好ましい。
しかしながら、原子発振器１３と動作モジュール１２との間で信号のやり取りを行うために設けられる信号線は、微小な信号伝送を行う必要上、すなわち、不要なノイズ等を拾わないように、距離ｘはあまり大きくすることはできない。
そこで、本実施形態では、熱伝導率λが小さく、断面積Ａも小さなフレキシブル基板３４を用いている。これにより、本実施形態における時計１０では、原子発振器１３と動作モジュール１２とを熱的に分離して、上記した不具合を確実に防止できるようになっている。
原子発振器１３が備える発振部３１は、アルカリ金属（セシウム）が封入された被加熱体としてのセル４１と、レーザ光を出射するレーザダイオード４２と、セル４１を加熱する複数の光源としての光加熱部４３と、セル４１から出射された光を受光するフォトダイオード４４とを備え、光加熱部４３によって所定温度に加熱されたセル４１に対し、レーザダイオード４２から励起用のレーザ光を出射し、セル４１を透過したレーザ光をフォトダイオード４４によって受光するセシウム原子発振器である。
図２及び図３は、原子発振器が備える発振部の構成を詳細に示す図であり、図２は一部破断斜視図、図３は図２のＡ−Ａ´線における断面視図である。
図２に示すように、発振部３１は、略円筒形状のケースとしてのカプセル４０内に、セル４１、レーザダイオード４２、光加熱部４３、フォトダイオード４４の各部を収容した構成となっている。
図３に示すように、カプセル４０は、外側に断熱材の外層４０Ａが配され、内側に防磁性材料（金属等）の内層４０Ｂが配された２層構造の壁を有する中空容器であり、内部は真空となっている。外層４０Ａに用いる断熱材の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。
カプセル４０内には、ほぼ中心に位置するように略円筒形状のセル４１が配設され、セル４１の一方側（図中では下側）にレーザダイオード４２が配され、他方側（図中では上側）にフォトダイオード４４が配される。すなわち、セル４１、レーザダイオード４２及びフォトダイオード４４は、カプセル４０の軸上に並べて配置され、この軸に沿って、レーザダイオード４２からレーザ光が出射される。
なお、以下の説明においては、カプセル４０の図２中上側、すなわちフォトダイオード４４側を上とし、図２中下側すなわちレーザダイオード４２側を、下として説明する。
図２に示すように、発振部３１は、略円筒形状のケースとしてのカプセル４０内に、セル４１、レーザダイオード４２、光加熱部４３、フォトダイオード４４の各部を収容した構成となっている。
図３に示すように、カプセル４０は、外側に断熱材の外層４０Ａが配され、内側に防磁性材料（金属等）の内層４０Ｂが配された２層構造の壁を有する中空容器であり、内部は真空となっている。外層４０Ａに用いる断熱材の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。
カプセル４０内には、ほぼ中心に位置するように略円筒形状のセル４１が配設され、セル４１の一方側（図中では下側）にレーザダイオード４２が配され、他方側（図中では上側）にフォトダイオード４４が配される。すなわち、セル４１、レーザダイオード４２及びフォトダイオード４４は、カプセル４０の軸上に並べて配置され、この軸に沿って、レーザダイオード４２からレーザ光が出射される。
なお、以下の説明においては、カプセル４０の図２中上側、すなわちフォトダイオード４４側を上とし、図２中下側すなわちレーザダイオード４２側を、下として説明する。
カプセル４０の底面には、レーザダイオード４２に対向する位置にレーザ温度センサ４５が配設される。レーザ温度センサ４５は非接触温度センサであって、レーザダイオード４２の温度を測定する。また、カプセル４０の内側面には、セル４１の側面に対向して、温度測定手段としてのセル温度センサ４６が配設される。セル温度センサ４６は非接触温度センサであって、セル４１の温度を測定する。
セル４１は、カプセル４０の内面に立設された支持体としての１２本のフレームにより、カプセル４０内に固定される。これら１２本のフレームは、カプセル４０の天面から下向きに立設された３本の上フレーム７１と、カプセル４０の底面から上向きに立設された３本の下フレーム７２と、カプセル４０の内側面からセル４１の側面に向けて立設された３本の側面上フレーム７３及び３本の側面下フレーム７４とからなる。
３本の側面上フレーム７３は、セル４１の高さ方向中央よりも上において、カプセル４０の内周面に略等間隔に配設される。また、３本の側面下フレーム７４は、いずれもセル４１の高さ方向中央よりも下において、カプセル４０の内周面に略等間隔に配設される。
図３に詳細に示すように、側面上フレーム７３と側面下フレーム７４とは、カプセル４０の横断面に対する正射影が重ならないように配設されると、より効果的にセル４１を支持できるので好ましい。この図３に示す状態において、隣接する側面上フレーム７３と側面上フレーム７３、及び側面下フレーム７４と側面下フレーム７４とは、それぞれ約１２０度の角をなし、隣接する側面上フレーム７３と側面下フレーム７４とは約６０度の角をなしている。
セル４１は、カプセル４０の内面に立設された支持体としての１２本のフレームにより、カプセル４０内に固定される。これら１２本のフレームは、カプセル４０の天面から下向きに立設された３本の上フレーム７１と、カプセル４０の底面から上向きに立設された３本の下フレーム７２と、カプセル４０の内側面からセル４１の側面に向けて立設された３本の側面上フレーム７３及び３本の側面下フレーム７４とからなる。
３本の側面上フレーム７３は、セル４１の高さ方向中央よりも上において、カプセル４０の内周面に略等間隔に配設される。また、３本の側面下フレーム７４は、いずれもセル４１の高さ方向中央よりも下において、カプセル４０の内周面に略等間隔に配設される。
図３に詳細に示すように、側面上フレーム７３と側面下フレーム７４とは、カプセル４０の横断面に対する正射影が重ならないように配設されると、より効果的にセル４１を支持できるので好ましい。この図３に示す状態において、隣接する側面上フレーム７３と側面上フレーム７３、及び側面下フレーム７４と側面下フレーム７４とは、それぞれ約１２０度の角をなし、隣接する側面上フレーム７３と側面下フレーム７４とは約６０度の角をなしている。
これら上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４の各フレームは、セル４１の熱が所定量以上伝わらないよう、断熱性を有する構成となっている。
後述するように、原子発振器１３は所定時間（例えば３時間）毎に間欠駆動され、駆動毎に、高精度の発振信号を出力する。この高精度の発振信号は、水晶発振器１１により生成される発振信号を補正するために用いられるので、常時原子発振器１３を駆動する必要はなく、例えば、１回の駆動毎に１０秒間だけ発振部３１から発振信号が出力されればよい。
原子発振器１３が高精度の発振信号を出力するためには、セル４１の温度が所定温度範囲（例えば、８０±０．１℃）内で安定していることが必要である。そこで、原子発振器１３は、その動作を開始する際にヒータ４３によってセル４１を加熱し、セル４１の温度が上記所定温度範囲内に達した後は、ヒータ４３による加熱を適宜行って、セル４１の温度を所定温度範囲において保持する。その保持時間は、原子発振器１３から発振信号を出力する時間に相当し、上記の例では１０秒間である。
後述するように、原子発振器１３は所定時間（例えば３時間）毎に間欠駆動され、駆動毎に、高精度の発振信号を出力する。この高精度の発振信号は、水晶発振器１１により生成される発振信号を補正するために用いられるので、常時原子発振器１３を駆動する必要はなく、例えば、１回の駆動毎に１０秒間だけ発振部３１から発振信号が出力されればよい。
原子発振器１３が高精度の発振信号を出力するためには、セル４１の温度が所定温度範囲（例えば、８０±０．１℃）内で安定していることが必要である。そこで、原子発振器１３は、その動作を開始する際にヒータ４３によってセル４１を加熱し、セル４１の温度が上記所定温度範囲内に達した後は、ヒータ４３による加熱を適宜行って、セル４１の温度を所定温度範囲において保持する。その保持時間は、原子発振器１３から発振信号を出力する時間に相当し、上記の例では１０秒間である。
セル４１の温度はカプセル４０の内外に位置する他の構成部品に比べて高温であるため、セル４１から周囲の構成部品への放熱が生じる。
そこで、本実施形態では、上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４の各フレームを、熱伝導率の低い材料により構成し、かつ、これら各フレーム先細りの形状とすることで、高い断熱性を有する構成とし、各フレームを介したセル４１からの放熱を上記所定量以下に抑える。この所定量とは、光加熱部４３による加熱時間の短縮が可能な量であり、具体的には、セル４１が加熱されて上記所定温度範囲に達してから、発振部３１の駆動時間（上記の例では１０秒間）中、光加熱部４３による加熱をしなくてもセル４１が上記所定温度範囲より低温にならないことが望ましい。また、発振部３１の駆動時間（上記の例では１０秒間）中、光加熱部４３による加熱が短時間で済めば、好ましいといえる。
そこで、本実施形態では、上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４の各フレームを、熱伝導率の低い材料により構成し、かつ、これら各フレーム先細りの形状とすることで、高い断熱性を有する構成とし、各フレームを介したセル４１からの放熱を上記所定量以下に抑える。この所定量とは、光加熱部４３による加熱時間の短縮が可能な量であり、具体的には、セル４１が加熱されて上記所定温度範囲に達してから、発振部３１の駆動時間（上記の例では１０秒間）中、光加熱部４３による加熱をしなくてもセル４１が上記所定温度範囲より低温にならないことが望ましい。また、発振部３１の駆動時間（上記の例では１０秒間）中、光加熱部４３による加熱が短時間で済めば、好ましいといえる。
上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４の材料としては、熱伝導率λが低く、かつ、セル４１を確実に固定・支持可能な強度を有するものが望ましく、少なくとも、カプセル４０を構成する金属（例えば、ＳＵＳ３０４（熱伝導率λ＝１６．３［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］）、ＳＵＳ４３０（熱伝導率λ＝２６．２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］）等のステンレス）に比べて著しく熱伝導率λが低いものがよい。より好ましくは、熱伝導率λが０．５以下、さらに好ましくは熱伝導率λが０．２５以下の材料が挙げられる。具体的には、例えばポリスチレン（λ＝０．２５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、引張り強さ：１７［Ｎ／ｍｍ2］。単位は以下同じ。）、ポリエチレン（λ＝０．０８、引張り強さ：５３、圧縮強さ：７４［Ｎ／ｍｍ2（以下同じ）］）、アクリル樹脂（λ＝０．１７、引張り強さ：６０、圧縮強さ：１２５）等が最も好ましい例としてあげられ、この他に、ポリカーボネート（λ＝０．１９、引張り強さ：９８、圧縮強さ：１０２）、ポリエステル（λ＝０．１５、引張り強さ：３８、圧縮強さ：２１８）、ＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂（λ＝０．２５、引張り強さ：４０１、圧縮強さ：３９４）を用いてもよく、その他の合成樹脂を用いることも可能である。
さらに、上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４は、いずれも、セル４１に接する先端が先細りに形成され、セル４１の表面に接する部分の断面積が極めて小さくされている。
このように、セル４１と上記各フレームとの接点においては、熱伝導率λが小さく、断面積Ａが小さいことから、上記式により求められる熱抵抗Ｒは極めて大きくなる。すなわち、これら各フレームは高い断熱性を有する構成とされているので、セル４１から上記各フレームを介して逃げる熱を所定量以下に抑えている。
さらに、上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４は、いずれも、セル４１に接する先端が先細りに形成され、セル４１の表面に接する部分の断面積が極めて小さくされている。
このように、セル４１と上記各フレームとの接点においては、熱伝導率λが小さく、断面積Ａが小さいことから、上記式により求められる熱抵抗Ｒは極めて大きくなる。すなわち、これら各フレームは高い断熱性を有する構成とされているので、セル４１から上記各フレームを介して逃げる熱を所定量以下に抑えている。
セル４１の側方には、カプセル４０の内側面に沿ってセル４１を加熱する複数の光加熱部４３が配設される。光加熱部４３は、セル４１から離隔して配設され、図３中に破線矢印で示すようにセル４１に向けて光を照射することで、セル４１を加熱するものである。光加熱部４３の数及び位置については任意であり、本実施形態では３個の光加熱部４３を、同一の高さ位置において互いに等間隔をおいて配設し、セル４１の側面に向けて光を照射させる構成を具体例として挙げる。
この光加熱部４３に対する通電を制御する加熱制御手段としての制御回路４８（図６）は、後述するように、セル４１を加熱する場合に複数の光加熱部４３の一部または全部を選択し、選択した光加熱部４３を通電させて光を照射させる。
この光加熱部４３に対する通電を制御する加熱制御手段としての制御回路４８（図６）は、後述するように、セル４１を加熱する場合に複数の光加熱部４３の一部または全部を選択し、選択した光加熱部４３を通電させて光を照射させる。
また、図２及び図３に示すように、セル４１を構成する壁は、外側に断熱材の層が配され、内側に、高い熱伝導性、及び／又は、光加熱部４３から照射される光を含む波長帯の光を良好に吸収する吸収特性を有する材料からなる層が配され、２層構造となっている。ここで、断熱材の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。
さらに、セル４１の側面には、光加熱部４３に対向する位置において、窓４１Ａが形成されている。窓４１Ａにおいては、２層からなるセル４１の壁のうち断熱材の外層が除かれ、内層が露出している。従って、光加熱部４３からセル４１へ向けて照射された光は窓４１Ａにおいて内層に照射される。上述のように内層は高い熱伝導性及び／又は光加熱部４３から照射される光を良好に吸収する吸収特性を有するので、光加熱部４３からの光を受けて容易に加熱される。また、セル４１の外層が断熱材で構成されるので、加熱されたセル４１から熱が逃げにくくなっている。
さらに、セル４１の側面においては、セル温度センサ４６に対向する位置にも窓４１Ａが形成されており、セル温度センサ４６によってセル４１の温度を正確に測定できるようになっている。
さらに、セル４１の側面には、光加熱部４３に対向する位置において、窓４１Ａが形成されている。窓４１Ａにおいては、２層からなるセル４１の壁のうち断熱材の外層が除かれ、内層が露出している。従って、光加熱部４３からセル４１へ向けて照射された光は窓４１Ａにおいて内層に照射される。上述のように内層は高い熱伝導性及び／又は光加熱部４３から照射される光を良好に吸収する吸収特性を有するので、光加熱部４３からの光を受けて容易に加熱される。また、セル４１の外層が断熱材で構成されるので、加熱されたセル４１から熱が逃げにくくなっている。
さらに、セル４１の側面においては、セル温度センサ４６に対向する位置にも窓４１Ａが形成されており、セル温度センサ４６によってセル４１の温度を正確に測定できるようになっている。
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、光加熱部の構成例を示す断面図である。
図４（Ａ）に示すように、光加熱部４３は、所定波長の光（好ましくは赤外領域の波長を有する赤外光）を放つ１個のＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を封入したＬＥＤパッケージ４３３と、ＬＥＤパッケージ４３３から出射された光を集光するレンズ４３２と、これらＬＥＤパッケージ４３３及びレンズ４３２を収容するケース４３１とを備えて構成される。ＬＥＤパッケージ４３３から出射された光はレンズ４３２により集光されてセル４１の側面に照射される。ここで、レンズ４３２を、セル４１の表面またはセル４１内の特定の位置を焦点とする構成としてもよい。さらに、図２及び図３に示すように配設された複数の光加熱部４３について、レンズ４３２の焦点がセル４１内の特定の点で重なるよう構成してもよい。この構成によれば、ＬＥＤパッケージ４３３からの光が一点に集中されるので、セル４１を高温に加熱したい場合に適している。
なお、光加熱部４３は、図４（Ｂ）に示すように複数のＬＥＤパッケージ４３３を備えた構成とすることも可能である。この場合、１個の光加熱部４３から出射する光の光量を容易に大きくすることができる。また、後述する制御回路４８の制御により、１個の光加熱部４３が備える複数のＬＥＤパッケージ４３３の一部若しくは全部を選択して発光させることが可能である。
さらに、図４（Ｃ）に示すように、複数のＬＥＤ素子４３５が封入されたＬＥＤパッケージ４３４を備える構成としてもよい。この場合、ＬＥＤパッケージの数を増やすことなく、１個の光加熱部４３から出射する光の光量を容易に極めて大きくすることができる。また、後述する制御回路４８によって、複数のＬＥＤ素子４３５のうち一部若しくは全部を選択して発光させることが可能となる。
さらに、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す構成において、ケース４３１の内部に、ＬＥＤパッケージ４３３、４３４から側方へ出射された光をケース４３１側に向けて反射する反射板を設けてもよい。また、レンズ４３２はＬＥＤパッケージ４３３、４３４からの光を集光するものに限られず、これらの光を直進させ、或いは拡散させるものであってもよい。この場合、セル４１の側面の広い範囲に光が照射されるので、セル４１を広範囲にわたって加熱できる。
図４（Ａ）に示すように、光加熱部４３は、所定波長の光（好ましくは赤外領域の波長を有する赤外光）を放つ１個のＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を封入したＬＥＤパッケージ４３３と、ＬＥＤパッケージ４３３から出射された光を集光するレンズ４３２と、これらＬＥＤパッケージ４３３及びレンズ４３２を収容するケース４３１とを備えて構成される。ＬＥＤパッケージ４３３から出射された光はレンズ４３２により集光されてセル４１の側面に照射される。ここで、レンズ４３２を、セル４１の表面またはセル４１内の特定の位置を焦点とする構成としてもよい。さらに、図２及び図３に示すように配設された複数の光加熱部４３について、レンズ４３２の焦点がセル４１内の特定の点で重なるよう構成してもよい。この構成によれば、ＬＥＤパッケージ４３３からの光が一点に集中されるので、セル４１を高温に加熱したい場合に適している。
なお、光加熱部４３は、図４（Ｂ）に示すように複数のＬＥＤパッケージ４３３を備えた構成とすることも可能である。この場合、１個の光加熱部４３から出射する光の光量を容易に大きくすることができる。また、後述する制御回路４８の制御により、１個の光加熱部４３が備える複数のＬＥＤパッケージ４３３の一部若しくは全部を選択して発光させることが可能である。
さらに、図４（Ｃ）に示すように、複数のＬＥＤ素子４３５が封入されたＬＥＤパッケージ４３４を備える構成としてもよい。この場合、ＬＥＤパッケージの数を増やすことなく、１個の光加熱部４３から出射する光の光量を容易に極めて大きくすることができる。また、後述する制御回路４８によって、複数のＬＥＤ素子４３５のうち一部若しくは全部を選択して発光させることが可能となる。
さらに、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す構成において、ケース４３１の内部に、ＬＥＤパッケージ４３３、４３４から側方へ出射された光をケース４３１側に向けて反射する反射板を設けてもよい。また、レンズ４３２はＬＥＤパッケージ４３３、４３４からの光を集光するものに限られず、これらの光を直進させ、或いは拡散させるものであってもよい。この場合、セル４１の側面の広い範囲に光が照射されるので、セル４１を広範囲にわたって加熱できる。
続いて、本実施形態における時計の制御について説明する。
図５は、時計の制御系の構成を概略的に示すブロック図である。
以下の説明においては、動作モジュール１２が有する水晶発振器１１により生成される発振信号を第１発振信号ＳＸ１とし、原子発振器１３が生成する発振信号を第２発振信号ＳＸ２とする。第２発振信号ＳＸ２は、第１発振信号ＳＸ１よりも周波数精度及び周波数安定度が高い発振信号である。
動作モジュール１２は、上述したように、５番車５１、４番車５２、３番車５３、２番車５４、日の裏車５５及び筒車（いずれも図１参照）からなる輪列１８と、水晶発振器１１と、モータ１７とを備え、時針、分針及び秒針からなる指針部１９に接続される。さらに、動作モジュール１２は、第１発振信号ＳＸ１と第２発振信号ＳＸ２の周波数および位相を比較する周波数・位相比較回路１４と、第１発振信号ＳＸ１を周波数・位相比較回路１４の比較結果に基づいて分周して、基準クロック信号ＣＬＫを生成し、出力する分周回路１５と、基準クロック信号ＣＬＫに基づいてモータ１７を駆動する時計駆動回路１６とを備える。これら周波数・位相比較回路１４、分周回路１５及び時計駆動回路１６は、時計用ＩＣ２４（図１）に実装される。
図５は、時計の制御系の構成を概略的に示すブロック図である。
以下の説明においては、動作モジュール１２が有する水晶発振器１１により生成される発振信号を第１発振信号ＳＸ１とし、原子発振器１３が生成する発振信号を第２発振信号ＳＸ２とする。第２発振信号ＳＸ２は、第１発振信号ＳＸ１よりも周波数精度及び周波数安定度が高い発振信号である。
動作モジュール１２は、上述したように、５番車５１、４番車５２、３番車５３、２番車５４、日の裏車５５及び筒車（いずれも図１参照）からなる輪列１８と、水晶発振器１１と、モータ１７とを備え、時針、分針及び秒針からなる指針部１９に接続される。さらに、動作モジュール１２は、第１発振信号ＳＸ１と第２発振信号ＳＸ２の周波数および位相を比較する周波数・位相比較回路１４と、第１発振信号ＳＸ１を周波数・位相比較回路１４の比較結果に基づいて分周して、基準クロック信号ＣＬＫを生成し、出力する分周回路１５と、基準クロック信号ＣＬＫに基づいてモータ１７を駆動する時計駆動回路１６とを備える。これら周波数・位相比較回路１４、分周回路１５及び時計駆動回路１６は、時計用ＩＣ２４（図１）に実装される。
水晶発振器１１は、音叉型水晶振動子を発振させる構成を採っており、例えば３２．７６８ｋＨｚの第１発振信号ＳＸ１を出力する。
分周回路１５は、論理緩急量を付与すべく機能するデータセット機能付き１／２分周回路を含む複数の分周器を多段に接続して構成されており、第１発振信号ＳＸ１を、第２発振信号ＳＸ２を補正基準として１Ｈｚまで分周し、１Ｈｚのクロック信号ＣＬＫを出力する。
分周回路１５は、論理緩急量を付与すべく機能するデータセット機能付き１／２分周回路を含む複数の分周器を多段に接続して構成されており、第１発振信号ＳＸ１を、第２発振信号ＳＸ２を補正基準として１Ｈｚまで分周し、１Ｈｚのクロック信号ＣＬＫを出力する。
図６は、原子発振器の回路構成を示す説明図である。
原子発振器１３は、発振部３１としてセシウム原子発振器を備え、例えば９．２ＧＨｚの発振信号を生成して出力する。
制御回路部３３は、レーザ温度センサ４５の測定したレーザダイオードの温度に基づいてレーザダイオード４２の出力制御を行い、セル温度センサ４６の測定したセル４１の温度にも基づいて光加熱部４３の制御を行い、フォトダイオード４４の出力信号を処理する制御回路４８と、制御回路４８を介して出力されるフォトダイオード４４の出力信号の周波数を所定周波数までダウンコンバートして出力する局部発振器４９と、局部発振器４９の出力信号を分周して、第２発振信号ＳＸ２として出力する分周回路５０と、を備えている。
原子発振器１３は、発振部３１としてセシウム原子発振器を備え、例えば９．２ＧＨｚの発振信号を生成して出力する。
制御回路部３３は、レーザ温度センサ４５の測定したレーザダイオードの温度に基づいてレーザダイオード４２の出力制御を行い、セル温度センサ４６の測定したセル４１の温度にも基づいて光加熱部４３の制御を行い、フォトダイオード４４の出力信号を処理する制御回路４８と、制御回路４８を介して出力されるフォトダイオード４４の出力信号の周波数を所定周波数までダウンコンバートして出力する局部発振器４９と、局部発振器４９の出力信号を分周して、第２発振信号ＳＸ２として出力する分周回路５０と、を備えている。
ここで、制御回路部３３は、セル４１に対して、セシウム原子の励起に伴う励起状態のエネルギー準位と、基底状態のエネルギー準位とのエネルギー差に相当する周波数を参照するとともに、光加熱部４３を制御しセル４１の温度を所定温度範囲（例えば８０±０．１℃）内に維持している。より詳細には、レーザダイオード４２は、その出力の上側サイドバンドと下側サイドバンドの周波数差がセシウム原子の固有振動数に一致するように変調されており、セル４１内の透過レーザ光量は上側サイドバンドと下側サイドバンドの周波数差がセシウム原子の固有周波数と一致したときに最も大きくなるので、フォトダイオード４４の出力が最大となるようにレーザダイオード４２の変調周波数を調整することにより、変調周波数がセシウム原子の固有周波数を基準として安定化される。その結果、第２発振信号ＳＸ２もセシウム原子の固有周波数を基準として安定化されることとなる。
制御回路４８は、セル４１の温度を上記所定温度範囲に保つため、セル温度センサ４６により検出したセル４１の温度に基づいて、光加熱部４３を通電させて光を照射させ、セル４１を加熱させる。この場合、制御回路４８は、複数の光加熱部４３の全てを通電させてセル４１を加熱させることも、或いは、一部の光加熱部４３のみを通電させてセル４１を加熱させることも可能である。例えば、原子発振器１３が停止状態から動作を開始した場合のように、セル４１の温度が上記所定温度範囲より著しく低い場合、制御回路４８は全ての光加熱部４３を通電させてセル４１を加熱させる。また、例えば、セル４１の温度が上記所定温度範囲に近い温度である場合に、一部の光加熱部４３のみを通電させてセル４１を加熱させる。
次に、時計１０の動作について説明する。
本実施形態においては、腕時計等の小型携帯型時計を前提としているため、消費電力低減の観点から、原子発振器１３を間欠駆動（本実施形態では、３時間毎に駆動）している。
本実施形態においては、腕時計等の小型携帯型時計を前提としているため、消費電力低減の観点から、原子発振器１３を間欠駆動（本実施形態では、３時間毎に駆動）している。
図７は、発振動作を中心とした動作フローチャートである。
前回の間欠動作終了後、図示しないカウンタをリセットして計時を開始させ（ステップＳ１）、当該カウンタのカウント値に基づいて原子発振器１３の駆動停止期間（３時間）が経過したか否かを判定する（ステップＳ２）。
そして、ステップＳ２の判別において、未だ原子発振器１３の駆動停止期間である場合には（ステップＳ２；ｎ）、分周回路１５は、データセット機能付き１／２分周回路（図示略）に前回設定された補正データ（あるいは初回の場合には、所定の補正データ）に基づいて、第１発振信号ＳＸ１の論理緩急を行いつつ、第１発振信号ＳＸ１の周波数を分周し、１Ｈｚのクロック信号ＣＬＫを時計駆動回路１６に出力する。
これにより、時計駆動回路１６は、モータ１７を駆動する。
前回の間欠動作終了後、図示しないカウンタをリセットして計時を開始させ（ステップＳ１）、当該カウンタのカウント値に基づいて原子発振器１３の駆動停止期間（３時間）が経過したか否かを判定する（ステップＳ２）。
そして、ステップＳ２の判別において、未だ原子発振器１３の駆動停止期間である場合には（ステップＳ２；ｎ）、分周回路１５は、データセット機能付き１／２分周回路（図示略）に前回設定された補正データ（あるいは初回の場合には、所定の補正データ）に基づいて、第１発振信号ＳＸ１の論理緩急を行いつつ、第１発振信号ＳＸ１の周波数を分周し、１Ｈｚのクロック信号ＣＬＫを時計駆動回路１６に出力する。
これにより、時計駆動回路１６は、モータ１７を駆動する。
この結果、モータ１７のロータ１７Ａは、５番車５１を回転駆動し、５番車５１のカナ５１Ａを介して４番車５２を駆動する。そして、この４番車５２の回転に伴って秒針が駆動されることとなる。
さらに、４番車５２のカナ５２Ａを介して３番車５３が駆動され、この３番車５３のカナ５３Ａを介して２番車５４が駆動される。そして、この２番車５４の回転に伴って分針が駆動されることとなる。
さらにまた、２番車５４のカナ５４Ａに噛み合っている日の裏車５５が駆動され、図示しない筒車が駆動されることにより、時針が駆動されることとなる。
以上の結果、現在時刻が表示されることとなる。
さらに、４番車５２のカナ５２Ａを介して３番車５３が駆動され、この３番車５３のカナ５３Ａを介して２番車５４が駆動される。そして、この２番車５４の回転に伴って分針が駆動されることとなる。
さらにまた、２番車５４のカナ５４Ａに噛み合っている日の裏車５５が駆動され、図示しない筒車が駆動されることにより、時針が駆動されることとなる。
以上の結果、現在時刻が表示されることとなる。
一方、ステップＳ２の判別において、原子発振器１３の駆動停止期間が経過した場合には（ステップＳ２；ｙ）、原子発振器１３に電力が供給され、発振部３１の発振を開始させる（ステップＳ３）。このステップＳ３において、発振部３１は停止状態から電力供給が開始され、いわゆるコールドスタートを行う。この場合、セル４１の温度は、安定動作時の動作温度（上記所定温度範囲）よりも大幅に低いので、制御回路部３３は全ての光加熱部４３によりセル４１を加熱させる。その後、セル４１の温度が上記所定温度範囲に近づいた時点で、制御回路部３３は一部の光加熱部４３のみにより光を照射させてセル４１を加熱させ、セル４１の温度を上記所定温度範囲内に保つ。
続いて、セル４１の温度が上記所定温度範囲内において安定し、原子発振器１３に対する電力供給開始から原子発振器１３の発振周波数が安定するのに十分な時間が経過した後に、周波数・位相比較回路１４は、第１発振信号ＳＸ１と第２発振信号ＳＸ２の周波数差および位相差を測定し（ステップＳ４）、周波数差および位相差に基づいて補正データを分周回路１５に出力する。
分周回路１５のデータセット機能付１／２分周回路に出力し、補正データを格納させる。
分周回路１５のデータセット機能付１／２分周回路に出力し、補正データを格納させる。
その後、原子発振器１３への電力供給を開始してから上述の処理が完了するに十分な駆動期間（例えば、１０秒）が経過すると、原子発振器１３への電力供給を再び遮断し、再び、処理をステップＳ１に移行する（ステップＳ７）。以下、同様にして、原子発振器１３の動作停止中は、データセット機能付１／２分周回路に記憶された補正データ（論理緩急量）に基づいて、１Ｈｚのクロック信号ＣＬＫの位相ずれ量が補正されるとともに、３時間経過毎に、原子発振器１３の出力する第２発振信号ＳＸ２および水晶発振器１１の出力する第１発振信号ＳＸ１との周波数差および位相差に基づいて、補正データ（論理緩急量）が更新され、クロック信号ＣＬＫの位相ずれ量が補正される、という処理が繰り返される。
これと並行して、分周回路１５は新たに設定された補正データに基づいて、第１発振信号ＳＸ１の論理緩急を行いつつ、第１発振信号ＳＸ１の周波数を分周し、１Ｈｚのクロック信号ＣＬＫを時計駆動回路１６に出力する。
これにより、時計駆動回路１６は、モータ１７を駆動する。
この結果、モータ１７のロータ１７Ａは、５番車５１を回転駆動し、５番車５１のカナ５１Ａを介して４番車５２を駆動する。そして、この４番車５２の回転に伴って秒針が駆動されることとなる。
さらに、４番車５２のカナ５２Ａを介して３番車５３が駆動され、この３番車５３のカナ５３Ａを介して２番車５４が駆動される。そして、この２番車５４の回転に伴って分針が駆動されることとなる。
これにより、時計駆動回路１６は、モータ１７を駆動する。
この結果、モータ１７のロータ１７Ａは、５番車５１を回転駆動し、５番車５１のカナ５１Ａを介して４番車５２を駆動する。そして、この４番車５２の回転に伴って秒針が駆動されることとなる。
さらに、４番車５２のカナ５２Ａを介して３番車５３が駆動され、この３番車５３のカナ５３Ａを介して２番車５４が駆動される。そして、この２番車５４の回転に伴って分針が駆動されることとなる。
以上の説明のように、本実施形態によれば、原子発振器１３が備える発振部３１において、周囲の構成部品よりも高温に保持されるセル４１を、上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４からなるフレームによって保持する構成とし、これら各フレームの先端を先細り形状とした上で各フレームに熱伝導率の低い材料を用いることにより、各フレームを断熱性を有する構成としたので、上記各フレームを介した放熱を著しく小さく抑えることが可能となる。
また、発振部３１においては、セル４１から離隔して配設された光加熱部４３により光を照射することでセル４１を加熱する構成としたので、光加熱部４３を介してセル４１の熱が逃げることがない。
加えて、カプセル４０の内部が真空とされていることから、セル４１の表面からカプセル４０内部の空間を伝わって逃げる熱も、極めて小さく抑えられる。
これにより、セル４１からの放熱によるエネルギーのロスを抑制することが可能となり、セル４１の温度保持に要する電力を抑え、効率よくセル４１の温度を保持することができ、限られた容量の電池２３を用いて長時間の連続駆動を行える。そして、原子発振器１３による水晶発振器１１の第１発振信号ＳＸ１の補正を行い、より一層の時刻表示精度の高精度化を図ることが可能となり、精度が要求される地下鉄等の鉄道駅員や列車運転者が使用する鉄道時計に十分に適用することが可能になる。
また、発振部３１においては、セル４１から離隔して配設された光加熱部４３により光を照射することでセル４１を加熱する構成としたので、光加熱部４３を介してセル４１の熱が逃げることがない。
加えて、カプセル４０の内部が真空とされていることから、セル４１の表面からカプセル４０内部の空間を伝わって逃げる熱も、極めて小さく抑えられる。
これにより、セル４１からの放熱によるエネルギーのロスを抑制することが可能となり、セル４１の温度保持に要する電力を抑え、効率よくセル４１の温度を保持することができ、限られた容量の電池２３を用いて長時間の連続駆動を行える。そして、原子発振器１３による水晶発振器１１の第１発振信号ＳＸ１の補正を行い、より一層の時刻表示精度の高精度化を図ることが可能となり、精度が要求される地下鉄等の鉄道駅員や列車運転者が使用する鉄道時計に十分に適用することが可能になる。
さらに、セル４１から周囲の構成部品への放熱が抑えられているので、原子発振器１３の周囲に配設された動作モジュール１２等の各種部材に対し、熱による影響を及ぼすことがない。このため、例えば動作モジュール１２を構成する構造材、歯車等の材料の変形や変質防止、歯車等に塗布された潤滑油の変質防止、電池２３の劣化防止、回路の変形・変質防止が図れるため、これらに起因する時刻表示精度の低下を防止することができる。
このように、本実施形態によれば、構成部品の劣化等の不具合及び消費電力量の増大に伴う連続駆動時間の短縮を確実に回避しつつ、時刻表示精度の高精度化を達成できる。
このように、本実施形態によれば、構成部品の劣化等の不具合及び消費電力量の増大に伴う連続駆動時間の短縮を確実に回避しつつ、時刻表示精度の高精度化を達成できる。
また、発振部３１の消費電力が０．１Ｗの場合には、３時間（１０８００秒）当たり１０秒しか駆動させないため、原子発振器４２で消費される電力を、１０／１０８００倍、つまり、約１／１０００倍の消費電力（１０-4Ｗ）に抑えることができ、低容量の電池２３を用いた場合でも、長時間の駆動を行える。
［第２の実施形態］
図８は、本発明を適用した第２の実施形態における時計の概略構成を示す断面図である。
上記第１の実施形態において、電池２３、動作モジュール１２及び指針部１９からなるムーブメントと、原子発振器１３とは、平面視でムーブメントの周囲に原子発振器１３が配置された状態であったが、第２の実施形態は、原子発振器１３をムーブメント（図８中符号Ｍ）の裏面側に重ねて配置した態様である。この場合において、原子発振器１３は、中枠２２の内側において、ムーブメントＭの裏面側（指針部１９とは反対側）に、裏蓋６０と金属等の防磁性を有する材料からなるカバー２５との間に収納されており、裏蓋６０に載置されている。この状態において、原子発振器１３の周囲は断熱材６１により囲まれている。
そしてムーブメントＭ内の動作モジュール１２（図１参照）と原子発振器１３とは、コイルばね６２により電気的に接続され、信号伝送がなされている。特に、コイルばねを用いる場合には、第２発振信号ＳＸ２の出力周波数を変更して商品展開する場合であっても、コイルの線径、巻数、外径のいずれかまたは全てを変更することによって、他の構成部品を変更することなくコイルばね６２のみを変更するだけで最適な信号伝送を容易に形成することが可能となる。
このコイルばね６２を用いることにより、原子発振器１３と動作モジュール１２との間の距離ｘをより大きくとることができ、断熱性の向上が図れる。
このコイルばね６２に代えて、導電性ゴムを用いるように構成することも可能である。
裏蓋６０は、金属あるいは金属に断熱コーティングとして、セラミック、ＤＬＣあるいは樹脂がコーティングされたものが用いられる。この場合に、原子発振器１３を構成するセル４１を、金属ケースで覆うようにしてもよい。
断熱材６１の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。
図８は、本発明を適用した第２の実施形態における時計の概略構成を示す断面図である。
上記第１の実施形態において、電池２３、動作モジュール１２及び指針部１９からなるムーブメントと、原子発振器１３とは、平面視でムーブメントの周囲に原子発振器１３が配置された状態であったが、第２の実施形態は、原子発振器１３をムーブメント（図８中符号Ｍ）の裏面側に重ねて配置した態様である。この場合において、原子発振器１３は、中枠２２の内側において、ムーブメントＭの裏面側（指針部１９とは反対側）に、裏蓋６０と金属等の防磁性を有する材料からなるカバー２５との間に収納されており、裏蓋６０に載置されている。この状態において、原子発振器１３の周囲は断熱材６１により囲まれている。
そしてムーブメントＭ内の動作モジュール１２（図１参照）と原子発振器１３とは、コイルばね６２により電気的に接続され、信号伝送がなされている。特に、コイルばねを用いる場合には、第２発振信号ＳＸ２の出力周波数を変更して商品展開する場合であっても、コイルの線径、巻数、外径のいずれかまたは全てを変更することによって、他の構成部品を変更することなくコイルばね６２のみを変更するだけで最適な信号伝送を容易に形成することが可能となる。
このコイルばね６２を用いることにより、原子発振器１３と動作モジュール１２との間の距離ｘをより大きくとることができ、断熱性の向上が図れる。
このコイルばね６２に代えて、導電性ゴムを用いるように構成することも可能である。
裏蓋６０は、金属あるいは金属に断熱コーティングとして、セラミック、ＤＬＣあるいは樹脂がコーティングされたものが用いられる。この場合に、原子発振器１３を構成するセル４１を、金属ケースで覆うようにしてもよい。
断熱材６１の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。
なお、この第２の実施形態においては原子発振器１３をムーブメントＭの裏面側に重ねて配置するものであったが、原子発振器１３を文字板６５側に配置してもよい。この場合、文字板６５の裏面には、セラミック、ＤＬＣあるいは樹脂がコーティングされたものを用いれば、より効果的である。
［第３の実施形態］
図９は、本発明を適用した第３の実施形態における原子発振器の概略構成を示す断面図である。
上記第１の実施形態において、カプセル４０内は真空とされているものとして説明したが、第３の実施形態においては、カプセル４０内に断熱材７５が配設される。この断熱材７５は、カプセル４０内部の空間を埋めつつセル４１の周囲を囲むように配設され、上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４の各フレームに代わって、セル４１を固定・支持する。断熱材７５の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。
また、光加熱部４３の表面（図４（Ａ）〜（Ｃ）のレンズ４３２）からセル４１の側面の窓４１Ａに至る領域には孔７６が穿設され、光加熱部４３から出射された光が、図中破線矢印で示すように窓４１Ａに達するようになっている。さらに、セル温度センサ４６の表面から窓４１Ａに至る領域においても、セル温度センサ４６による温度検出を妨げないよう孔７６が設けられている。さらに、断熱材７５が、レーザダイオード４２から出射されたレーザ光がセル４１を透過してフォトダイオード４４に至る光路の障害とならないように、レーザダイオード４２とセル４１との間、及び、セル４１とフォトダイオード４４との間にレーザ光を通すための空間（図示略）が設けられる。
図９は、本発明を適用した第３の実施形態における原子発振器の概略構成を示す断面図である。
上記第１の実施形態において、カプセル４０内は真空とされているものとして説明したが、第３の実施形態においては、カプセル４０内に断熱材７５が配設される。この断熱材７５は、カプセル４０内部の空間を埋めつつセル４１の周囲を囲むように配設され、上フレーム７１、下フレーム７２、側面上フレーム７３及び側面下フレーム７４の各フレームに代わって、セル４１を固定・支持する。断熱材７５の材料としては、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、セラミック、ソーダガラス、鉛ガラス等が挙げられる。
また、光加熱部４３の表面（図４（Ａ）〜（Ｃ）のレンズ４３２）からセル４１の側面の窓４１Ａに至る領域には孔７６が穿設され、光加熱部４３から出射された光が、図中破線矢印で示すように窓４１Ａに達するようになっている。さらに、セル温度センサ４６の表面から窓４１Ａに至る領域においても、セル温度センサ４６による温度検出を妨げないよう孔７６が設けられている。さらに、断熱材７５が、レーザダイオード４２から出射されたレーザ光がセル４１を透過してフォトダイオード４４に至る光路の障害とならないように、レーザダイオード４２とセル４１との間、及び、セル４１とフォトダイオード４４との間にレーザ光を通すための空間（図示略）が設けられる。
また、上記した第１から第３の各実施形態の態様に限らず、原子発振器１３は、例えば、原子発振器１３を時計バンド６７内に収納した構成としてもよい。この場合、時計バンド６７が断熱材で構成されているか、あるいは、原子発振器１３が断熱材で覆われているようにされると好ましい。時計バンド６７を断熱材で構成する場合には、アクリル、ポリエチレン、ポリスチレン等の樹脂、ゴム、セラミック等で構成する。また、時計バンド６７を金属で構成する場合には、ＤＬＣやセラミック、樹脂等のコーティングを施すようにしてもよい。この場合においては、原子発振器１３と動作モジュールを含むムーブメントＭとの距離が離れているため、信号線が長くなり、ノイズ等を拾いやすくなるため、原子発振器１３内に信号増幅用のアンプを備えるのが望ましい。
［実施形態の変形例］
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形が可能である。
［第１変形例］
以上の説明では、発振部３１において、光加熱部４３から光を照射することによってセル４１を加熱する場合を例示したが、光加熱部４３に加えて、通電により発熱するヒータを設けてもよい。すなわち、カプセル４０内において、セル４１に当接するヒータを配設し、このヒータと光加熱部４３とによってセル４１を加熱してもよい。このヒータとしては、金属又はセラミックスを用いることができる。また、このヒータをＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電膜を用いたものとすれば、レーザダイオード４２とセル４１との間やフォトダイオード４４とセル４１との間に配設してもよい。
［第２変形例］
以上の説明では、水晶発振器１１の出力する第１発振信号ＳＸ１と原子発振器１３の出力する第２発振信号ＳＸ２との周波数・位相比較を行う場合を例示したが、第１発振信号ＳＸ１と第２発振信号ＳＸ２の周波数が一致している場合であれば、位相のみを比較するように構成することも可能である。
また、第１発振信号ＳＸ１と第２発振信号ＳＸ２との周波数比較を行い、原子発振器１３の出力する第２発振信号ＳＸ２の周波数を基準に水晶発振器１１の出力する第１発振信号ＳＸ１の発振周波数を補正してもよい。
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形が可能である。
［第１変形例］
以上の説明では、発振部３１において、光加熱部４３から光を照射することによってセル４１を加熱する場合を例示したが、光加熱部４３に加えて、通電により発熱するヒータを設けてもよい。すなわち、カプセル４０内において、セル４１に当接するヒータを配設し、このヒータと光加熱部４３とによってセル４１を加熱してもよい。このヒータとしては、金属又はセラミックスを用いることができる。また、このヒータをＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電膜を用いたものとすれば、レーザダイオード４２とセル４１との間やフォトダイオード４４とセル４１との間に配設してもよい。
［第２変形例］
以上の説明では、水晶発振器１１の出力する第１発振信号ＳＸ１と原子発振器１３の出力する第２発振信号ＳＸ２との周波数・位相比較を行う場合を例示したが、第１発振信号ＳＸ１と第２発振信号ＳＸ２の周波数が一致している場合であれば、位相のみを比較するように構成することも可能である。
また、第１発振信号ＳＸ１と第２発振信号ＳＸ２との周波数比較を行い、原子発振器１３の出力する第２発振信号ＳＸ２の周波数を基準に水晶発振器１１の出力する第１発振信号ＳＸ１の発振周波数を補正してもよい。
［第３変形例］
以上の説明では、クロック信号ＣＬＫの補正方式として、論理緩急方式を採用していたが、論理緩急方式と水晶発振器の容量可変方式とを併用するように構成してもよい。この場合、論理緩急方式と容量可変方式とを併用することで、クロック信号ＣＬＫの調整範囲を広げることができる。なお、容量可変方式の水晶発振回路内に容量可変用のコンデンサを設ける場合に限らず、水晶発振回路の外に、容量可変用のコンデンサを設けるようにしてもよい。
以上の説明では、クロック信号ＣＬＫの補正方式として、論理緩急方式を採用していたが、論理緩急方式と水晶発振器の容量可変方式とを併用するように構成してもよい。この場合、論理緩急方式と容量可変方式とを併用することで、クロック信号ＣＬＫの調整範囲を広げることができる。なお、容量可変方式の水晶発振回路内に容量可変用のコンデンサを設ける場合に限らず、水晶発振回路の外に、容量可変用のコンデンサを設けるようにしてもよい。
［第４変形例］
以上の説明では、原子発振器１３の駆動停止期間を３時間に設定し、駆動期間を１０秒に設定する場合を例示したが、これに限らず、任意の時間で構わない。
また、間欠駆動周期を等間隔にせずに、例えば、駆動停止期間を昼間時間帯は短くし（例えば２時間）、夜間時間帯は長くする（例えば４時間）等、間欠駆動周期を不等間隔にしてもよい。
さらに、上記構成において水晶発振器１１を排し、常時原子発振器１３を駆動させ、水晶発振器１１に代えて原子発振器１３が出力する発振信号に基づいて動作モジュール１２を駆動するようにしてもよい。
以上の説明では、原子発振器１３の駆動停止期間を３時間に設定し、駆動期間を１０秒に設定する場合を例示したが、これに限らず、任意の時間で構わない。
また、間欠駆動周期を等間隔にせずに、例えば、駆動停止期間を昼間時間帯は短くし（例えば２時間）、夜間時間帯は長くする（例えば４時間）等、間欠駆動周期を不等間隔にしてもよい。
さらに、上記構成において水晶発振器１１を排し、常時原子発振器１３を駆動させ、水晶発振器１１に代えて原子発振器１３が出力する発振信号に基づいて動作モジュール１２を駆動するようにしてもよい。
［第５変形例］
以上の説明では、原子発振器の発振部３１として、セシウム原子発振器を用いていたが、それ以外の原子発振器（例えばルビジウム原子発振器）を使用してもよい。また、水晶発振器１１は、年差時計又は月差時計等で使用される発振器等の任意の水晶発振器でよい。
［第６変形例］
以上の説明では、原子発振器を備えた時計としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、恒温槽制御水晶発振器を備えた時計に本発明を適用することが可能である。この場合において、恒温槽制御水晶発振器が備える恒温槽をセル４１に置き換えて、被加熱体として、恒温槽、及び／又は、恒温槽に封入された水晶発振器に本発明を適用し、この恒温槽を上記実施形態及び変形例で示した光加熱部４３等により加熱する構成とすれば、上述した各実施形態及び変形例と同様に、恒温槽からの放熱によるエネルギーのロスを極めて小さく抑えることが可能となり、恒温槽の温度保持に要する電力を抑えることができ、限られた容量の電池を用いて長時間の連続駆動を行える上、より一層の時刻表示精度の高精度化を図ることが可能となる。
以上の説明では、原子発振器の発振部３１として、セシウム原子発振器を用いていたが、それ以外の原子発振器（例えばルビジウム原子発振器）を使用してもよい。また、水晶発振器１１は、年差時計又は月差時計等で使用される発振器等の任意の水晶発振器でよい。
［第６変形例］
以上の説明では、原子発振器を備えた時計としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、恒温槽制御水晶発振器を備えた時計に本発明を適用することが可能である。この場合において、恒温槽制御水晶発振器が備える恒温槽をセル４１に置き換えて、被加熱体として、恒温槽、及び／又は、恒温槽に封入された水晶発振器に本発明を適用し、この恒温槽を上記実施形態及び変形例で示した光加熱部４３等により加熱する構成とすれば、上述した各実施形態及び変形例と同様に、恒温槽からの放熱によるエネルギーのロスを極めて小さく抑えることが可能となり、恒温槽の温度保持に要する電力を抑えることができ、限られた容量の電池を用いて長時間の連続駆動を行える上、より一層の時刻表示精度の高精度化を図ることが可能となる。
［第７変形例］
以上においては、電池２３として、リチウム電池や銀電池等のコイン型の一次電池が適用されるものとして説明したが、ソーラパネルや、重力等により回転運動する回転錘の運動エネルギーを発電機のロータに伝達して運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置等の発電手段を配置し、電池２３として、二次電池を用いるようにしてもよい。
が適用される。
［第８変形例］
以上の説明では、腕時計の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、置き時計に適用してもよいし、針以外の表示手段を用いて時刻表示を行うデジタル時計、カレンダ機構を具備する時計、タイムコードが重畳された電波を受信してタイムコードに基づき時刻を補正する電波時計、懐中時計、置き時計及び掛け時計等の時計全般、若しくは、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、携帯型計測器、携帯型ＧＰＳ（Global Positioning System）装置等の携帯可能な電子機器、又は、標準発振器、ノート型パーソナルコンピュータ等の商用電源以外で駆動可能な電子機器に広く適用が可能である。さらには、前記基準クロック信号に基づいて動作する動作モジュール（時計モジュールを含んでも含まなくてもよい）を備え、商用電源で駆動可能な電子機器にも広く本発明を適用することが可能である。
以上においては、電池２３として、リチウム電池や銀電池等のコイン型の一次電池が適用されるものとして説明したが、ソーラパネルや、重力等により回転運動する回転錘の運動エネルギーを発電機のロータに伝達して運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置等の発電手段を配置し、電池２３として、二次電池を用いるようにしてもよい。
が適用される。
［第８変形例］
以上の説明では、腕時計の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、置き時計に適用してもよいし、針以外の表示手段を用いて時刻表示を行うデジタル時計、カレンダ機構を具備する時計、タイムコードが重畳された電波を受信してタイムコードに基づき時刻を補正する電波時計、懐中時計、置き時計及び掛け時計等の時計全般、若しくは、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、携帯型計測器、携帯型ＧＰＳ（Global Positioning System）装置等の携帯可能な電子機器、又は、標準発振器、ノート型パーソナルコンピュータ等の商用電源以外で駆動可能な電子機器に広く適用が可能である。さらには、前記基準クロック信号に基づいて動作する動作モジュール（時計モジュールを含んでも含まなくてもよい）を備え、商用電源で駆動可能な電子機器にも広く本発明を適用することが可能である。
特に、電波時計に適用した場合、電波を受信できない状況、例えば、電波が届かない場所（ビルの中、地下、水中、ノイズ源の近く）であったり、電波のない場所（標準時報局のない場所、宇宙等）であったり、アンテナの向きが不適切、電波の定期点検中、電波周波数やタイムコードが異なっていたり、気象上の電界強度低下等の状況が生じている場合でも、十分に正確な時刻を表示することが可能になり、様々な状況下でも高精度な電波時計を提供することが可能になる。また、携帯電話機等のデータ通信機器に適用した場合には、発振部４０からのクロック信号を通信ビットレート用決定用基準信号として使用することで、高信頼でかつ高速な通信を行うことができる。
１０…時計（電子機器）、１１…水晶発振器、１２…動作モジュール、１３…原子発振器、１４…周波数・位相比較回路、１５…分周回路、１６…時計駆動回路、１７…モータ、１８…輪列、１９…指針部、３１…発振部（発振器）、４０…カプセル（ケース）、４１…セル（被加熱体）、４２…レーザダイオード、４３…光加熱部（光源）、４４…フォトダイオード、４６…セル温度センサ（温度測定手段）、４８…制御回路（加熱制御手段）、４９…局部発振器、５０…分周回路、７１…上フレーム（支持体）、７２…下フレーム（支持体）、７３…側面上フレーム（支持体）、７４…側面下フレーム（支持体）、７５…断熱材（支持体）、７６…孔、ＳＸ１…第１発振信号、ＳＸ２…第２発振信号。
Claims (10)
- 被加熱体を加熱手段により加熱する構成を備えた発振器における加熱構造であって、
前記被加熱体は断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、
前記加熱手段は、前記被加熱体から離隔して配設され、前記被加熱体に対して光を照射することにより前記被加熱体を加熱する光源を備えること、
を特徴とする発振器における加熱構造。 - 被加熱体を加熱手段により加熱する構成を備えた発振器において、
前記被加熱体は断熱性を有する支持体によってケース内に固定され、
前記加熱手段は、前記被加熱体から離隔して配設され、前記被加熱体に対して光を照射することにより前記被加熱体を加熱する光源を備えること、
を特徴とする発振器。 - 前記被加熱体として媒体原子を封入したセルを備えた原子発振器であることを特徴とする請求項２記載の発振器。
- 前記加熱手段は、前記光源より照射された光を集光又は拡散するレンズを備えることを特徴とする請求項２または３記載の発振器。
- 前記ケースの内部は真空とされたことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の発振器。
- 前記ケースの内部において、前記支持体として前記被加熱体の周囲に断熱材が配設され、この断熱材には、前記光源から前記被加熱体へ照射される光を通すための孔が設けられたことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の発振器。
- 前記加熱手段は複数の前記光源を備えて構成され、これら複数の前記光源の一部または全部を選択し、選択した光源から光を照射させる加熱制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の発振器。
- 前記被加熱体の温度を測定する温度測定手段を備え、
前記加熱制御手段は、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記光源を選択することを特徴とする請求項７記載の発振器。 - 被加熱体を加熱手段により加熱する構成を備えた発振器を具備する電子機器において、
前記発振器は、
前記被加熱体を断熱性を有する支持体によってケース内に固定した構成を有し、
前記加熱手段は、前記被加熱体から離隔して配設され、前記被加熱体に対して光を照射することにより前記被加熱体を加熱する光源を備えること、
を特徴とする電子機器。 - 前記電子機器は、前記発振器により生成される発振信号に基づいて時刻を表示する時刻表示部を有する時計として構成されていることを特徴とする請求項９記載の電子機器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005215722A JP2007036556A (ja) | 2005-07-26 | 2005-07-26 | 発振器における加熱構造、発振器、及び、電子機器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2005215722A JP2007036556A (ja) | 2005-07-26 | 2005-07-26 | 発振器における加熱構造、発振器、及び、電子機器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007036556A true JP2007036556A (ja) | 2007-02-08 |
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ID=37795280
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2005215722A Pending JP2007036556A (ja) | 2005-07-26 | 2005-07-26 | 発振器における加熱構造、発振器、及び、電子機器 |
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| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN113075874A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-07-06 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | 一种改善原子光晶格钟黑体辐射频移不确定度的装置 |
-
2005
- 2005-07-26 JP JP2005215722A patent/JP2007036556A/ja active Pending
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